KR20190099062A - Carbon nanoparticle-porous framework composites, composites of carbon nanoparticle-porous framework composites with lithium metals, methods for their preparation and uses thereof - Google Patents
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Abstract
탄소 나노입자-다공성 프레임워크 복합 재료, 이 탄소 나노입자-다공성 프레임워크 복합 재료의 리튬 금속 복합체, 이의 제조 방법, 그리고 이의 용도가 제공된다. 탄소 나노입자-다공성 프레임워크 복합 재료에 있어서, 다공성 프레임워크는 직경이 1 μm 내지 100 μm인 탄소 기반 다공성 미소구 재료이거나, 또는 공극 크기 분포가 마이크로 규모인 내부 공극을 가지는 다공성 금속 재료이고; 탄소 나노입자는 이 탄소 기반 다공성 미소구 재료 또는 다공성 금속 재료의 공극 내부 또는 표면상에 분포되어 있다. 탄소 나노입자-다공성 프레임워크 복합 재료는 용융 리튬 금속과 혼합되어, 리튬-탄소 나노입자-다공성 프레임워크 복합 재료를 이룬다. 재료에 존재하는 탄소 나노입자는 배터리 리사이클링(recycling) 과정에서 리튬 이온을 더 잘 전도할 수 있어서, 리튬 금속 덴드라이트 생성이 억제되고, 배터리의 안전성과 리사이클링 안정성은 개선된다.Carbon nanoparticle-porous framework composites, lithium metal composites of the carbon nanoparticle-porous framework composites, methods of making the same, and uses thereof are provided. In the carbon nanoparticle-porous framework composite material, the porous framework is a carbon-based porous microsphere material with a diameter of 1 μm to 100 μm, or a porous metal material having internal pores with a microscale pore size distribution; Carbon nanoparticles are distributed within or on the pores of this carbon-based porous microsphere material or porous metal material. The carbon nanoparticle-porous framework composite material is mixed with molten lithium metal to form a lithium-carbon nanoparticle-porous framework composite material. The carbon nanoparticles present in the material can better conduct lithium ions during battery recycling, thereby inhibiting lithium metal dendrite production and improving battery safety and recycling stability.
Description
본 발명은 나노 복합 재료, 구체적으로 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료, 리튬 금속을 포함하는 이의 복합체, 이의 제조 방법, 그리고 용도에 관한 것이다.The present invention relates to nanocomposites, in particular carbon nanoparticle-porous skeletal composites, composites thereof comprising lithium metal, methods for their preparation, and uses.
리튬 배터리는 비에너지가 크고, 수명이 긴 등의 이점으로 말미암아 가전제품, 전기 자동차 및 에너지 저장장치와 같은 분야에서 널리 사용되고 있다. 현존하는 리튬 배터리에는 리튬 원소를 함유하는 화합물이 양 전극으로서 사용되고, 흑연이 음 전극으로서 사용된다. 하지만 흑연을 기반으로 한 음 전극 재료는 비용량 한계가 약 370 mAh/g이다. 이러한 음 전극 재료를 사용하여 리튬 배터리의 에너지 밀도를 더 늘리는 것은 어려운 일이고, 이 음 전극 재료는 에너지 밀도가 더 높은 리튬 배터리를 향한 시장의 요구를 좀처럼 충족시킬 수 없다. 금속 리튬 음 전극의 비용량은 크고(3860 mAh/g), 전극 전위는 낮기 때문에(표준 수소 전극(SHE)에 대하여 -3.04 V), 이러한 리튬 배터리는 큰 비에너지, 긴 수명 및 높은 전압을 보여서 가전제품, 전기 자동차 및 에너지 저장장치와 같은 분야에 널리 사용될 수 있다. 금속 리튬 음 전극은 비용량이 크고(3860 mAh/g), 전극 전위가 (SHE에 대하여 -3.04 V로) 낮을 뿐아니라, 밀도가 (0.59 g/cm3로) 낮다는 여러 이점들을 가지므로, 금속 리튬을 음 전극으로 사용하는 리튬 배터리는 유의미하게 개선된 에너지 밀도를 가질 수 있다. 한편, 배터리의 음 전극으로서 금속 리튬이 사용될 때 리튬 이온이 제공될 수 있는 결과, 용량이 더 큰 무 리튬 재료, 예컨대 황 및 공기가 양 전극으로서 사용될 수 있다.Lithium batteries are widely used in applications such as home appliances, electric vehicles and energy storage devices due to their high specific energy and long life. In existing lithium batteries, compounds containing lithium elements are used as positive electrodes, and graphite is used as negative electrodes. However, graphite-based negative electrode materials have a specific capacity limit of about 370 mAh / g. It is difficult to further increase the energy density of lithium batteries using such negative electrode materials, and these negative electrode materials are hardly able to meet the market demand for higher energy density lithium batteries. Because the specific capacity of the metal lithium negative electrode is large (3860 mAh / g) and the electrode potential is low (-3.04 V for the standard hydrogen electrode (SHE)), these lithium batteries show large specific energy, long life and high voltage. It can be widely used in such fields as home appliances, electric vehicles and energy storage devices. The metal lithium negative electrode has several advantages of high specific capacity (3860 mAh / g), low electrode potential (at -3.04 V for SHE), and low density (at 0.59 g / cm 3 ). Lithium batteries using lithium as the negative electrode can have a significantly improved energy density. On the other hand, lithium ions can be provided when metal lithium is used as the negative electrode of the battery, and as a result, a lithium-free material having a higher capacity, such as sulfur and air, can be used as the positive electrode.
그러나 금속 리튬 음 전극을 가지는 배터리에서는 사이클 진행중 덴트라이트(dendrite)와 "죽은 리튬(dead lithium)"이 생성되므로, 쿨롱 효율 감소와 수명 단축이 초래된다. 더욱 중요한 점은, 덴드라이트가 성장하게 되면서 분리막에 구멍이 생길 수 있는 고로, 서로 연결되어 있던 양 전극과 음 전극 간에 내부 단락이 발생하여, 다량의 열이 발생하고, 배터리가 타거나 심지어 폭발하게 될 수 있다는 점이다. 상기 문제점들은 최근 수십년 동안 금속 리튬 음 전극을 사용하는 것을 극도로 제한하고 있다.However, in batteries with metallic lithium negative electrodes, dendrites and "dead lithium" are produced during the cycle, resulting in reduced coulombic efficiency and reduced lifespan. More importantly, as the dendrites grow, holes in the separator can form, causing internal short circuits between the positive and negative electrodes that are connected to each other, generating large amounts of heat, burning or even exploding the battery. Can be. These problems have extremely limited the use of metallic lithium negative electrodes in recent decades.
본 발명의 주된 목적은, 금속 리튬 덴드라이트가 생성되는 것을 억제함으로써 배터리의 안전성 및/또는 사이클 안정성을 개선하기 위해 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료, 리튬 금속을 가지는 이의 복합체, 이의 제조 방법, 전극, 그리고 이러한 전극을 포함하는 전기화학적 배터리를 제공하는 것이다.The main object of the present invention is to provide a carbon nanoparticle-porous skeleton composite material, a composite thereof having a lithium metal, a method for preparing the same, an electrode, in order to improve the safety and / or cycle stability of a battery by suppressing the generation of metallic lithium dendrites. And to provide an electrochemical battery comprising such an electrode.
본 발명의 구현예들은 하기의 것들을 포함한다.Embodiments of the present invention include the following.
몇몇 구현예들에서, 다공성 골격은 직경이 1 μm 내지 100 μm인 탄소 기반 다공성 미소구 재료이거나, 또는 공극 크기 분포가 마이크로미터 규모인 내부 공극을 가지는 다공성 금속 재료이고, 탄소 나노입자는 탄소 기반 다공성 미소구 재료 또는 다공성 금속 재료의 공극 내부와 표면상에 분포되어 있는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 제공된다.In some embodiments, the porous backbone is a carbon-based porous microsphere material with a diameter of 1 μm to 100 μm, or a porous metal material having internal pores with a pore size distribution of micrometer scale, and the carbon nanoparticles are carbon-based porous A carbon nanoparticle-porous skeletal composite material is provided that is distributed on the inside and the surface of the microsphere material or porous metal material.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 탄소 나노입자와 함께 용매 중에 분산시켜 분산액을 제조한 다음, 이 분산액을 분사 건조하는 단계; 또는 마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소(mesocarbon) 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료를, 탄소 나노입자를 함유하는 용액에 침지한 후, 음파 처리를 한 다음, 결과물을 건조하는 단계를 포함하는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법이 제공된다. In some embodiments, dispersing carbon nanotubes or carbon nanofibers in a solvent with carbon nanoparticles to produce a dispersion, and then spray drying the dispersion; Or immersing microscale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or porous metal material in a solution containing carbon nanoparticles, followed by sonication, and then drying the resultant. A method for producing a carbon nanoparticle-porous backbone composite material is provided.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 공극 내부와 표면상에 금속 리튬이 분산되어 포함되어 있는, 전술된 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 포함하는 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 제공된다.In some embodiments, the lithium-carbon nanoparticle-porous material comprising the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material described above, wherein metal lithium is dispersed and contained within and within the voids of the carbon nanoparticle-porous framework composite material. Skeletal composite materials are provided.
몇몇 구현예들에서, 용융 리튬 금속을 전술된 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료와 혼합한 다음, 이 혼합물을 냉각하는 단계를 포함하는, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법이 제공된다.In some embodiments, a method of preparing a metal lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material, comprising mixing molten lithium metal with the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material described above and then cooling the mixture. A method is provided.
몇몇 구현예들에서, 전술된 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 포함하는 전극이 제공된다.In some embodiments, an electrode is provided that includes the lithium-carbon nanoparticle-porous framework composite material described above.
몇몇 구현예들에서, 전술된 전극을 포함하는 전기화학적 에너지 저장 디바이스로서, 전기화학적 배터리 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)를 포함하는 전기화학적 에너지 저장 디바이스가 제공된다.In some embodiments, as an electrochemical energy storage device comprising the electrode described above, an electrochemical energy storage device comprising an electrochemical battery or super capacitor is provided.
본 발명은 하기와 같은 유리한 효과들 중 적어도 한 가지를 가진다:The present invention has at least one of the following advantageous effects:
(1) 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 용융 리튬 금속과 혼합되면 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 제조될 수 있음. 재료 중에 존재하는 탄소 나노입자는 배터리 사이클 중 리튬 이온을 더 잘 전도할 수 있음.(1) When the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material is mixed with molten lithium metal, a lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material can be produced. Carbon nanoparticles present in the material can better conduct lithium ions during the battery cycle.
(2) 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료는 배터리의 음 전극으로 사용되어, 배터리의 사이클 안정성을 개선할 수 있음.(2) Lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material can be used as negative electrode of battery, which can improve cycle stability of battery.
(3) 제조 방법이 간단하고, 대량 생산에 적합함.(3) The manufacturing method is simple and suitable for mass production.
(4) 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료는 다양한 리튬 배터리에 사용될 수 있는데, 금속 리튬-산화물 배터리, 금속 리튬-중합체 배터리 및 재충전 가능한 리튬 이온 배터리에 사용될 수 있음.(4) Metal lithium-carbon nanoparticle-porous framework composites can be used in various lithium batteries, and can be used in metal lithium-oxide batteries, metal lithium-polymer batteries and rechargeable lithium ion batteries.
도 1은, 실시예 1에서 수득된, 아세틸렌 블랙-탄소 나노튜브 미소구 복합 재료(a, b) 및 리튬-탄소 복합 미세입자(c, d)의 주사전자현미경(SEM) 영상들을 보여주는 것이다.
도 2는, 도 1의 SEM 영상(b)의 확대도이다(배율: 20,000배).
도 3은, 실시예 1의 리튬-탄소 복합 미세입자로 이루어진 하프셀(half-cell)과, 리튬 시트로 이루어진 하프셀 각각을 대상으로, 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건 하에서 수행된 하프셀 사이클 특성(cycle performance) 시험 결과들을 보여주는 것이다.
도 4는, 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건 하에서의 200회차 사이클 후, 실시예 1의 리튬-탄소 복합 미세입자로 이루어진 하프셀과, 리튬 시트로 이루어진 하프셀 각각의 전극 모폴로지(morphology)를 보여주는 것이다(a 및 b는 리튬-탄소 복합 미세입자의 영상들을 보여주는 것이고, c 및 d는 리튬 시트의 영상들을 보여주는 것임).
도 5는, 정전류 충전-방전 시험 중 상이한 사이클에서, 실시예 1의 리튬-탄소 복합 미세입자/리튬 하프셀의 전압-용량 곡선을 보여주는 것이다.
도 6은, 실시예 1의 리튬-탄소 복합 미세입자와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀(full cell)과, 리튬 시트와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀 각각을 대상으로 한, 상이한 사이클에서 C-율(C-rate)이 1일 때의 용량 보유율 시험 결과를 보여주는 것이다.
도 7은, 탄소 나노입자로 제조된 미소구 재료와, 탄소 나노입자를 사용하지 않고 제조된 미소구 재료 각각을 서로 비교한 도면을 보여주는 것으로서, 좌측 영상은 실시예 2에서 수득된 미소구 재료의 영상이고, 우측 영상은 실시예 1에서 수득된 미소구 영상이다.
도 8은, 실시예 2의 리튬-탄소 복합 미세입자로 이루어진 하프셀과, 리튬 시트로 이루어진 하프셀 각각을 대상으로, 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건 하에서 수행된 하프셀 사이클 특성 시험 결과를 보여주는 것이다.
도 9는, 실시예 5의 리튬-탄소 섬유 미소구 복합 재료의 SEM 영상을 보여주는 것이다.
도 10은, 실시예 5의 리튬-탄소 섬유 미소구 복합 재료가 음 전극일 때의 정전류 충전-방전 곡선을 보여주는 것이다.
도 11은, 실시예 6의 금속 리튬-니켈 골격 재료로 이루어진 하프셀을 대상으로 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건하에서 수행된 하프셀 사이클 특성 시험 결과를 보여주는 것이다.
도 12는, 실시예 6의 금속 리튬-니켈 골격 재료와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀을 대상으로 한, 상이한 사이클에서 C-율이 1일 때의 용량 보유율 시험 결과를 보여주는 것이다.1 shows scanning electron microscope (SEM) images of acetylene black-carbon nanotube microsphere composites (a, b) and lithium-carbon composite microparticles (c, d) obtained in Example 1. FIG.
FIG. 2 is an enlarged view of the SEM image b of FIG. 1 (magnification: 20,000 times).
FIG. 3 shows a half-cell made of lithium-carbon composite microparticles of Example 1 and a half cell made of a lithium sheet, each having a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm. The half cell cycle performance test results performed under the condition of −2 are shown.
Fig. 4 shows a half cell made of the lithium-carbon composite microparticles of Example 1 and a half cell made of a lithium sheet after 200 cycles under conditions of a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm −2 . Each electrode morphology is shown (a and b show images of lithium-carbon composite microparticles, c and d show images of lithium sheets).
5 shows the voltage-capacity curves of the lithium-carbon composite microparticle / lithium halfcell of Example 1 in different cycles during the constant current charge-discharge test.
FIG. 6 shows the C-rate (C) at different cycles for each of the full cells of lithium-carbon composite microparticles and lithium iron phosphate of Example 1 and the full cells of lithium sheet and lithium iron phosphate. shows the result of the capacity retention test when -rate) is 1.
FIG. 7 shows a comparison of microsphere materials made of carbon nanoparticles and microsphere materials prepared without using carbon nanoparticles, and the left image shows the microsphere material obtained in Example 2. FIG. Image, and the right image is the microsphere image obtained in Example 1.
FIG. 8 shows a half cell made of the lithium-carbon composite microparticles of Example 2 and a half cell made of the lithium sheet under conditions of a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm −2 . It shows the results of the half-cell cycle characteristic test performed.
9 shows an SEM image of the lithium-carbon fiber microsphere composite material of Example 5. FIG.
FIG. 10 shows a constant current charge-discharge curve when the lithium-carbon fiber microsphere composite of Example 5 is a negative electrode.
FIG. 11 shows the results of a half cell cycle characteristic test conducted under the conditions of a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm −2 for a half cell made of the metal lithium-nickel skeleton material of Example 6 will be.
FIG. 12 shows the capacity retention test results when the C-rate is 1 in different cycles for a full cell consisting of the metal lithium-nickel skeleton material of Example 6 and lithium iron phosphate.
탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료: Carbon Nanoparticle-porous Skeletal Composites :
본 발명의 일 양태는, 직경 1 μm 내지 100 μm인 탄소 기반 다공성 미소구 재료, 또는 공극 크기 분포가 마이크로미터 규모인 내부 공극을 가지는 다공성 금속 재료로 이루어져 있는 다공성 골격을 포함하고, 탄소 나노입자는 다공성 골격 재료의 공극 내부와 표면상에 분포되어 있는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제공한다.One aspect of the invention includes a porous skeleton consisting of a carbon-based porous microsphere material having a diameter of 1 μm to 100 μm, or a porous metal material having internal pores having a pore size distribution of micrometer scale, wherein the carbon nanoparticles are Provided are carbon nanoparticle-porous skeletal composite materials distributed over and within the voids of a porous skeletal material.
몇몇 구현예들에서, 탄소 기반 다공성 미소구 재료는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료, 흑연, 메소탄소 미소구 및 다공성 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함한다.In some embodiments, the carbon-based porous microsphere material comprises at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere materials, graphite, mesocarbon microspheres, and porous activated carbon.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는, 틴소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 서로 얽어매어 뭉치게 만듦으로써 제조되고, 자체의 내부와 자체의 표면상에는 나노 규모의 공극 다수개가 존재한다. 이러한 미소구는 거의 (털실꾸리 구조와 유사한) 고체 구조를 가진다. 다시 말해서, 미소구는 그 내부에 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유가 가득 차 있다. 그러나 얾어매어 뭉쳐진 탄소 나노튜브들 또는 탄소 나노섬유들 사이에는 나노 규모 공극들이 존재하고 있으며, 이 공극들은 탄소 나노입자와 금속 리튬 입자를 수용하는데 사용될 수 있다.In some embodiments, the carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere materials are prepared by intertwining and binding the thixo nanotubes or carbon nanofibers together, wherein a plurality of nanoscale pores are formed on its surface and on its surface. exist. These microspheres have a solid structure (similar to the weaving structure). In other words, the microspheres are filled with carbon nanotubes or carbon nanofibers therein. However, nanoscale pores exist between the bonded carbon nanotubes or carbon nanofibers, which can be used to accommodate carbon nanoparticles and metallic lithium particles.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는 구형 또는 회전탄원형의 입자이다. 이 입자의 평균 직경은 1 μm 내지 100 μm, 바람직하게는 1 μm 내지 25 μm이고, 비표면적은 100 m2/g 내지 1500 m2/g, 바람직하게는 150 m2/g 내지 500 m2/g일 수 있다. 미소구에 함유된 공극의 공극 크기 분포는 1 nm 내지 200 nm, 바람직하게 1 nm 내지 50 nm일 수 있다. 탄소 나노입자를 함유하는 미소구는 모폴로지와 구조 면에서 탄소 나노입자를 함유하지 않는 미소구와 유의미하게 차이나지 않지만, 다만 공극 부피는 더 작다(예를 들어 공극 부피는 2.0 cm3·g-1에서 1.4 cm3·g-1로 감소함).In some embodiments, the carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere materials are spherical or spheroidal particles. The average diameter of these particles is from 1 μm to 100 μm, preferably from 1 μm to 25 μm, and the specific surface area is from 100 m 2 / g to 1500 m 2 / g, preferably from 150 m 2 / g to 500 m 2 /. g may be. The pore size distribution of the pores contained in the microspheres can be 1 nm to 200 nm, preferably 1 nm to 50 nm. Microspheres containing carbon nanoparticles are not significantly different from microspheres containing no carbon nanoparticles in terms of morphology and structure, but the pore volume is smaller (for example, the pore volume is 2.0 cm 3 · g −1 to 1.4 cm 3 · g −1 ).
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는 적어도 미소구형 실체의 응집 구조, 구형 응집 구조, 회전타원형 응집 구조, 다공성 구형 응집 구조 및 도넛형 응집 구조로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 가진다.In some embodiments, the carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material is any selected from the group consisting of at least a coherent structure of a spherical entity, a spherical cohesion structure, a spheroidal cohesion structure, a porous spherical cohesion structure, and a toroidal cohesion structure Has one of
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브 및 단일벽 탄소 나노튜브, 또는 이것들 중 2개 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 포함하고, 선택적으로 탄소 나노튜브는 표면 작용기화 처리의 대상이 된다. 탄소 나노튜브의 표면을 변질시키는 기는 -COOH, -OH, -NH2 기 등으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In some embodiments, the carbon nanotubes comprise any one selected from the group consisting of multiwall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes and single wall carbon nanotubes, or a combination of two or more thereof, and optionally carbon Nanotubes are subject to surface functionalization treatment. The group which alters the surface of the carbon nanotubes may be selected from -COOH, -OH, -NH 2 groups, and the like, but is not limited thereto.
몇몇 구현예들에서, 흑연, 메소탄소 미소구 및 다공성 활성탄은 시트 유사형이거나, 구형 또는 회전타원형 입자이다. 이 입자의 평균 직경은 50 μm 내지 500 μm, 바람직하게는 100 μm 내지 200 μm이고, 비표면적은 100 m2/g 내지 1000 m2/g, 바람직하게는 100 m2/g 내지 500 m2/g이다. 함유된 공극의 공극 크기 분포는 20 nm 내지 500 nm, 바람직하게 20 nm 내지 100 nm일 수 있다.In some embodiments, the graphite, mesocarbon microspheres and porous activated carbon are sheet like, spherical or spheroidal particles. The average diameter of these particles is from 50 μm to 500 μm, preferably from 100 μm to 200 μm and the specific surface area is from 100 m 2 / g to 1000 m 2 / g, preferably from 100 m 2 / g to 500 m 2 /. g. The pore size distribution of the contained pores may be 20 nm to 500 nm, preferably 20 nm to 100 nm.
몇몇 구현예들에서, 다공성 금속 재료는 다공성 구리, 다공성 알루미늄, 다공성 아연, 다공성 철, 다공성 니켈, 다공성 금 및 다공성 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함한다.In some embodiments, the porous metal material includes at least one selected from the group consisting of porous copper, porous aluminum, porous zinc, porous iron, porous nickel, porous gold, and porous silver.
몇몇 구현예들에서, 다공성 금속 재료에 함유된 공극의 공극 크기 분포는 100 μm 내지 1000 μm, 바람직하게는 100 μm 내지 500 μm일 수 있고; 비표면적은 50 m2/g 내지 500 m2/g, 바람직하게 50 m2/g 내지 200 m2/g일 수 있다.In some embodiments, the pore size distribution of the pores contained in the porous metal material may be between 100 μm and 1000 μm, preferably between 100 μm and 500 μm; The specific surface area may be 50 m 2 / g to 500 m 2 / g, preferably 50 m 2 / g to 200 m 2 / g.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자는 카본블랙(예컨대 Degussa 카본블랙), 아세틸렌 블랙, Ketjen 블랙, Timcal 전도성 첨가제 Super P, 그리고 Cabot BP2000으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함한다. In some embodiments, the carbon nanoparticles comprise at least one selected from the group consisting of carbon black (such as Degussa carbon black), acetylene black, Ketjen black, Timcal conductive additive Super P, and Cabot BP2000.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자의 크기는 1 nm 내지 500 nm, 바람직하게 50 nm 내지 200 nm일 수 있다.In some embodiments, the size of the carbon nanoparticles may be between 1 nm and 500 nm, preferably between 50 nm and 200 nm.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료 중 탄소 나노입자의 함량은, 다공성 골격을 기준으로 20 wt% 내지 500 wt%, 바람직하게 50 wt% 내지 200 wt%일 수 있다.In some embodiments, the content of carbon nanoparticles in the carbon nanoparticle-porous framework composite material may be 20 wt% to 500 wt%, preferably 50 wt% to 200 wt%, based on the porous skeleton.
탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법: Method for preparing carbon nanoparticle-porous skeletal composite material :
본 발명의 또 다른 양태는, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 탄소 나노입자와 함께 용매 중에 분산시켜 분산액을 제조한 다음, 이 분산액을 분사 건조하는 단계; 또는 마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료를, 탄소 나노입자를 함유하는 용액에 침지한 후, 음파 처리를 한 다음, 결과물을 건조하는 단계를 포함하는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is to prepare a dispersion by dispersing carbon nanotubes or carbon nanofibers in a solvent together with carbon nanoparticles, and then spray drying the dispersion; Or immersing the microscale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or porous metal material in a solution containing carbon nanoparticles, followed by sonication, and then drying the resultant carbon nanoparticles. A method for producing a porous skeletal composite material is provided.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자-탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 복합 재료는 분사 건조 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어 제조 방법은 하기 단계들, 즉 In some embodiments, carbon nanoparticle-carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere composites can be prepared by spray drying methods. For example, the production method may comprise the following steps, namely
a. 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유와 탄소 나노입자를 음파 처리를 통하여 분산 용매(계면활성제 불포함)에 분산시켜 분산액을 수득하는 단계;a. Dispersing the carbon nanotubes / carbon nanofibers and carbon nanoparticles in a dispersion solvent (without surfactant) through sonication to obtain a dispersion;
b. 단계 a에서 수득된 분산액을, 공기 유입구 온도와 공기 유출구 온도를 미리 설정한 분사 건조기의 노즐을 통하여 밖으로 분사시키는 단계[다만 분산액은 분사가 이루어지는 동안 계속 교반됨]; 그리고b. Spraying the dispersion obtained in step a through the nozzle of a spray dryer which has a predetermined air inlet temperature and an air outlet temperature, provided that the dispersion is continuously stirred while spraying takes place; And
c. 냉각시켜 탄소 나노입자-탄소 나노튜브/탄소 나노섬유 미소구 복합 재료를 수득하는 단계c. Cooling to obtain carbon nanoparticle-carbon nanotube / carbon nanofiber microsphere composites
를 포함할 수 있다.It may include.
몇몇 구현예들에서, 단계 a에서의 탄소 나노입자 및 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유 사이의 질량비는 0.5:1 내지 8:1, 바람직하게 0.5:1 내지 5:1, 더욱 바람직하게 0.5:1 내지 2:1일 수 있다.In some embodiments, the mass ratio between carbon nanoparticles and carbon nanotubes / carbon nanofibers in step a is from 0.5: 1 to 8: 1, preferably from 0.5: 1 to 5: 1, more preferably from 0.5: 1 to 2: 1.
"탄소 나노입자" 및 "탄소 나노튜브/탄소 나노섬유"에 대해서는, 상기 "탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료" 섹션에 이와 관련하여 기술된 바가 참조될 수 있다.For "carbon nanoparticles" and "carbon nanotubes / carbon nanofibers", reference may be made to those described in this section in the "Carbon nanoparticle-porous framework composites" section above.
몇몇 구현예들에서, 분산액 중 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유의 농도는 10 g/L 내지 50 g/L, 바람직하게 10 g/L 내지 15 g/L일 수 있다.In some embodiments, the concentration of carbon nanotubes / carbon nanofibers in the dispersion may be 10 g / L to 50 g / L, preferably 10 g / L to 15 g / L.
몇몇 구현예들에서, 용매로서는 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유와 탄소 나노입자를 균일하게 분산시킬 수 있는 유기 및/또는 무기 액체, 예를 들어 물, 수성 암모니아, 염화수소산 용액, 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올, 또는 이것들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나가 사용될 수 있다.In some embodiments, the solvent is an organic and / or inorganic liquid capable of uniformly dispersing carbon nanotubes / carbon nanofibers and carbon nanoparticles such as water, aqueous ammonia, hydrochloric acid solution, ethanol, acetone and isopropanol Or any one selected from the group consisting of a combination thereof can be used.
몇몇 구현예들에서, 용매는 에탄올과 물의 혼합물(부피 비 1:10)일 수 있다.In some embodiments, the solvent can be a mixture of ethanol and water (volume ratio 1:10).
몇몇 구현예들에서, 분사 건조 조건은 다음의 것들, 즉 150℃ 내지 250℃의 공기 유입구 온도와, 75℃ 이상, 예컨대 75℃ 내지 150℃, 또는 90℃ 이상의 공기 유출구 온도를 포함할 수 있다. 분사 건조에 바람직한 한 가지 조건은 190℃ 내지 210℃의 공기 유입구 온도 및 90℃ 내지 110℃의 공기 유출구 온도를 포함한다.In some embodiments, the spray drying conditions may include the following: air inlet temperature of 150 ° C. to 250 ° C. and air outlet temperature of 75 ° C. or higher, such as 75 ° C. to 150 ° C., or 90 ° C. or higher. One preferred condition for spray drying includes air inlet temperatures of 190 ° C to 210 ° C and air outlet temperatures of 90 ° C to 110 ° C.
몇몇 구현예들에서, 분사 건조시 분사 속도는 1 mL/분 내지 100 L/분일 수 있다.In some embodiments, the spray rate during spray drying can be between 1 mL / min and 100 L / min.
몇몇 구현예들에서, 마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료가 다공성 골격 재료로서 사용되고, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 함침 및 음파처리 방법을 사용함으로써 제조된다. 함침 및 음파처리 방법은, 마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료를 탄소 나노입자 용액 중에 침지시킨 후, 음파처리한 다음, 결과물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, micro-scale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or porous metal materials are used as the porous framework material, and carbon nanoparticle-porous framework composite materials are prepared by using impregnation and sonication methods. Impregnation and sonication methods may include immersing microscale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or a porous metal material in a carbon nanoparticle solution, sonicating, and then drying the resultant.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자 용액은 물이나 에탄올 용매, 또는 에탄올과 물의 혼합 용매 중에 탄소 나노입자를 함유하는 용액을 포함한다.In some embodiments, the carbon nanoparticle solution comprises a solution containing carbon nanoparticles in water or an ethanol solvent, or a mixed solvent of ethanol and water.
몇몇 구현예들에서, 탄소 나노입자 용액 중 탄소 나노입자의 농도는 5 g/L 내지 50 g/L, 바람직하게 10 g/L 내지 30 g/L일 수 있다.In some embodiments, the concentration of carbon nanoparticles in the carbon nanoparticle solution may be between 5 g / L and 50 g / L, preferably between 10 g / L and 30 g / L.
금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료Metal Lithium-Carbon Nanoparticles-Porous Skeletal Composites
본 발명의 다른 양태는, 전술된 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 포함하고, 금속 리튬이 이 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 공극 내부와 이의 표면상에 분포되어 있는, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료로서, 골격인 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 금속 리튬을 지지하고, 이 금속 리튬은 상기 복합 재료의 공극 내부 또는 이의 표면(공극 내부에 주로 존재하고 표면상에는 조금만 존재함)에 원소 성분의 형태로 존재하는 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제공한다.Another aspect of the present invention includes a metal lithium-carbon nano, including the above-described carbon nanoparticle-porous skeleton composite material, wherein metal lithium is distributed within and on the surface of the voids of the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material. As a particle-porous skeletal composite material, the carbon nanoparticle-porous skeletal composite material, which is a skeleton, supports metal lithium, which is mainly present in the voids or surfaces thereof (mainly inside the voids and only slightly on the surfaces) of the composite material. Metal lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material present in the form of an elemental component).
몇몇 구현예들에서, 금속 리튬은 복합 재료 총 질량의 1 질량% 내지 95 질량%, 바람직하게는 10 질량% 내지 70 질량%, 그리고 더욱 바람직하게 20 질량% 내지 70 질량%만큼 존재한다.In some embodiments, the metallic lithium is present from 1% to 95% by mass, preferably from 10% to 70% by mass, and more preferably from 20% to 70% by mass of the total mass of the composite material.
금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법Method for Producing Metal Lithium-Carbon Nanoparticle-Porous Skeletal Composites
본 발명의 또 다른 양태는, 용융 리튬 금속과 전술된 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 혼합한 다음, 이 혼합물을 냉각하는 단계를 포함하는, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법을 제공한다. Another aspect of the invention provides a process for preparing a metal lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material comprising mixing molten lithium metal with the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material described above and then cooling the mixture. It provides a method for doing so.
몇몇 구현예들에서, 용융 리튬 금속과 탄소 나노입자-탄소 기반 다공성 미소구 복합 재료를 혼합하는 단계는 리튬 금속과 탄소 기반 다공성 미소구 재료를 교반하면서 혼합한 다음, 가열하는 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, the step of mixing the molten lithium metal and the carbon nanoparticle-carbon based porous microsphere material may include mixing the lithium metal and the carbon based porous microsphere material with stirring and then heating. .
몇몇 구현예들에서, 교반하면서 혼합하는 단계는 예비 교반 단계와 급속 교반 단계를 포함할 수 있는데, 다만 예비 교반 단계는 리튬 금속과 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 혼합물을 느린 속도(예컨대 약 50 rpm 내지 약 100 rpm)로 비교적 낮은 온도(예컨대 약 200℃ 내지 약 230℃)에서 단기간(예컨대 1분 내지 5분) 동안 교반하는 것을 포함하고, 급속 교반 단계는 빠른 속도(예컨대 약 150 rpm 내지 약 1000 rpm, 바람직하게 200 rpm 내지 800 rpm)로 비교적 높은 온도(예컨대 약 230℃ 내지 약 300℃)에서 교반하는 것을 포함한다.In some embodiments, the mixing with stirring may comprise a preliminary stirring step and a rapid stirring step, provided that the preliminary stirring step is performed at a slow rate (eg, about 50) of the mixture of lithium metal and carbon nanoparticle-porous framework composite material. stirring at a relatively low temperature (eg, from about 200 ° C. to about 230 ° C.) for a short period of time (eg, 1 minute to 5 minutes) at rpm to about 100 rpm, wherein the rapid stirring step is performed at a high speed (eg, about 150 rpm to about Stirring at 1000 rpm, preferably 200 rpm to 800 rpm, at a relatively high temperature (eg, about 230 ° C. to about 300 ° C.).
"탄소 기반 다공성 미소구 재료"에 대해서는, 상기 "탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료" 섹션에 이와 관련하여 기술된 바가 참조될 수 있다.For “carbon based porous microsphere materials”, reference may be made to what is described in this regard in the “Carbon Nanoparticle-Porous Skeletal Composite Materials” section above.
몇몇 구현예들에서, 용융 리튬 금속과 탄소 나노입자-다공성 금속 복합 재료의 혼합 단계는, 이 탄소 나노입자-다공성 금속 복합 재료를 용융 리튬 금속 중에 침지하는 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, the step of mixing the molten lithium metal and the carbon nanoparticle-porous metal composite material may include immersing the carbon nanoparticle-porous metal composite material in the molten lithium metal.
몇몇 구현예들에서, 금속 리튬은 복합 재료 총 질량의 1 질량% 내지 95 질량%, 바람직하게는 10 질량% 내지 70 질량%, 그리고 더욱 바람직하게 20 질량% 내지 70 질량%만큼 존재한다.In some embodiments, the metallic lithium is present from 1% to 95% by mass, preferably from 10% to 70% by mass, and more preferably from 20% to 70% by mass of the total mass of the composite material.
금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 용도Uses of Metal Lithium-Carbon Nanoparticle-Porous Skeletal Composites
본 발명의 또 다른 양태는 전술된 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 전극 재료로서 포함하는 전극을 제공한다.Another aspect of the present invention provides an electrode comprising the above-described metal lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material as an electrode material.
몇몇 구현예들에서, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료는 배터리의 음 전극 활물질로서 사용될 수 있거나, 또는 (다공성 금속 골격이 사용되는 경우) 직접 전극으로 사용될 수 있다.In some embodiments, the metal lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material can be used as a negative electrode active material of a battery, or can be used as a direct electrode (when a porous metal skeleton is used).
본 발명의 또 다른 양태는, 전술된 전극을 포함하는 전기화학적 에너지 저장 디바이스를 제공한다.Another aspect of the invention provides an electrochemical energy storage device comprising the electrode described above.
몇몇 구현예들에서, 전기화학적 에너지 저장 디바이스는 전기화학적 배터리이고, 전극은 이 배터리의 음 전극으로서 사용된다.In some implementations, the electrochemical energy storage device is an electrochemical battery and the electrode is used as the negative electrode of this battery.
몇몇 구현예들에서, 전기화학적 배터리는 리튬 배터리, 금속 리튬-산화물 배터리, 금속 리튬-황 2차 배터리, 또는 금속 리튬-공기 배터리를 포함한다.In some embodiments, the electrochemical battery includes a lithium battery, a metal lithium-oxide battery, a metal lithium-sulfur secondary battery, or a metal lithium-air battery.
몇몇 구현예들에서, 전기화학적 에너지 저장 디바이스는 슈퍼 커패시터이고, 전극은 이 슈퍼 커패시터의 한 극판으로서 사용된다.In some implementations, the electrochemical energy storage device is a super capacitor and the electrode is used as one pole plate of this super capacitor.
본 발명에 제공된 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료가 전기화학적 배터리에 사용될 때, 이 재료 중에 존재하는 탄소 나노입자는 배터리 사이클 중 리튬 이온을 더 잘 전도하고, 이로써 리튬 덴드라이트 생성이 억제되고, 배터리의 안전성은 개선될 뿐만 아니라, 배터리의 사이클 안정성도 개선될 수 있다.When the lithium-carbon nanoparticle-porous skeletal composite material provided in the present invention is used in an electrochemical battery, the carbon nanoparticles present in this material better conduct lithium ions during the battery cycle, thereby inhibiting lithium dendrite production and In addition to improving the safety of the battery, the cycle stability of the battery may also be improved.
하기 특정 구현예들은 본 발명을 예시하고자 하는 것이지, 한정하고자 하는 것은 아니다.The following specific embodiments are intended to illustrate, but not to limit the invention.
구현예 1은, 다공성 골격이 직경 1 μm 내지 100 μm인 탄소 기반 다공성 미소구 재료이거나, 또는 공극 크기 분포가 마이크로미터 규모인 내부 공극을 가지는 다공성 금속 재료이고, 탄소 나노입자가 탄소 기반 다공성 미소구 재료 또는 다공성 금속 재료의 공극 내부와 표면상에 분포되어 있는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.
구현예 2는, 탄소 기반 다공성 미소구 재료는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료, 흑연, 메소탄소 미소구, 그리고 다공성 활성탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함하고, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는 틴소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 서로 얽어매어 뭉치게 만듦으로써 제조되며, 미소구는 자체의 내부에 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유가 가득 차 있되, 다만 그 내부와 표면상에는 다수의 나노 규모 공극들이 존재하며/존재하거나;
다공성 금속 재료는 다공성 구리, 다공성 알루미늄, 다공성 아연, 다공성 철, 다공성 니켈, 다공성 금 및 다공성 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함하고/포함하거나;The porous metal material comprises at least one selected from the group consisting of porous copper, porous aluminum, porous zinc, porous iron, porous nickel, porous gold and porous silver;
탄소 나노입자는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, Ketjen 블랙, Timcal 전도성 첨가제 Super P, 그리고 Cabot BP2000으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함하는, 구현예 1에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.The carbon nanoparticles are carbon nanoparticle-porous skeleton composites according to
구현예 3은, 탄소 나노입자의 크기가 1 nm 내지 500 nm, 바람직하게 50 nm 내지 200 nm일 수 있는, 구현예 1 또는 2에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.
구현예 4는, 탄소 나노입자 함량이 다공성 골격을 기준으로 20 wt% 내지 500 wt%인 구현예 1 내지 3 중 임의의 하나에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.
구현예 5는, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료의 비표면적이 100 m2/g 내지 1500 m2/g이고/이거나;
탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료 안에 함유된 공극들의 공극 크기는 1 nm 내지 200 nm이며/이거나;The pore size of the pores contained in the carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material is 1 nm to 200 nm;
탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는 적어도 미소구형 실체의 응집 구조, 구형 응집 구조, 회전타원형 응집 구조, 다공성 구형 응집 구조 및 도넛형 응집 구조로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 가지고/가지거나;The carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material has / has at least any one selected from the group consisting of at least microsphere-like aggregate structures, spherical aggregate structures, spheroidal aggregate structures, porous spherical aggregate structures, and donut-shaped aggregate structures. Or;
탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브 및 단일벽 탄소 나노튜브, 또는 이것들 중 2개 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 포함하고, 선택적으로 탄소 나노튜브는 표면 작용기화 처리의 대상이 되는, 구현예 2 내지 4 중 임의의 하나에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.The carbon nanotubes comprise any one selected from the group consisting of multiwall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes and single wall carbon nanotubes, or a combination of two or more thereof, optionally wherein the carbon nanotubes are surface functionalized. A carbon nanoparticle-porous skeletal composite material according to any one of embodiments 2-4, which is the subject of treatment.
구현예 6은, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 탄소 나노입자와 함께 용매 중에 분산시켜 분산액을 제조한 다음, 이 분산액을 분사 건조하는 단계; 또는Embodiment 6 includes preparing a dispersion by dispersing carbon nanotubes or carbon nanofibers in a solvent together with carbon nanoparticles, and then spray drying the dispersion; or
마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료를, 탄소 나노입자를 함유하는 용액에 침지한 후, 음파 처리를 한 다음, 결과물을 건조하는 단계Immersing microscale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or porous metal material in a solution containing carbon nanoparticles, followed by sonication, and then drying the resultant.
를 포함하는, 구현예 1 내지 5 중 임의의 하나에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법이다.A method for producing a carbon nanoparticle-porous skeleton composite material according to any one of
구현예 7은, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유를 탄소 나노입자와 함께 분사 건조하는 단계가 하기 단계들, 즉 Embodiment 7 includes spray drying carbon nanotubes or carbon nanofibers with carbon nanoparticles in the following steps, i.e.
a. 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유와 탄소 나노입자를 음파 처리를 통하여 분산 용매(계면활성제 불포함)에 분산시켜 분산액을 수득하는 단계;a. Dispersing the carbon nanotubes / carbon nanofibers and carbon nanoparticles in a dispersion solvent (without surfactant) through sonication to obtain a dispersion;
b. 단계 a에서 수득된 분산액을, 공기 유입구 온도와 공기 유출구 온도를 미리 설정한 분사 건조기의 노즐을 통하여 밖으로 분사시키는 단계[다만 분산액은 분사가 이루어지는 동안 계속 교반됨]; 그리고b. Spraying the dispersion obtained in step a through the nozzle of a spray dryer which has a predetermined air inlet temperature and an air outlet temperature, provided that the dispersion is continuously stirred while spraying takes place; And
c. 결과물을 냉각시켜 탄소 나노입자-탄소 나노튜브/탄소 나노섬유 미소구 복합 재료를 수득하는 단계c. Cooling the result to obtain carbon nanoparticle-carbon nanotube / carbon nanofiber microsphere composites
를 포함하는, 구현예 6에 따른 방법이다.Including, a method according to embodiment 6.
구현예 8은, 단계 a에서의 탄소 나노입자 및 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유 사이의 질량비는 0.5:1 내지 8:1이고/이거나;Embodiment 8 includes the mass ratio between the carbon nanoparticles and the carbon nanotubes / carbon nanofibers in step a is from 0.5: 1 to 8: 1;
분산액 중 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유의 농도는 10 g/L 내지 50 g/L이며/이거나;The concentration of carbon nanotubes / carbon nanofibers in the dispersion is 10 g / L to 50 g / L;
분산 용매는 물, 수성 암모니아, 염화수소산 용액, 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올 또는 이것들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 포함하는, 구현예 7에 따른 방법이다.The dispersing solvent is the method according to embodiment 7, comprising any one selected from the group consisting of water, aqueous ammonia, hydrochloric acid solution, ethanol, acetone and isopropanol or combinations thereof.
구현예 9는, 공기 유입구 온도가 190℃ 내지 210℃이고, 공기 유출구 온도는 90℃ 내지 110℃이며/이거나;Embodiment 9 has an air inlet temperature of 190 ° C. to 210 ° C. and an air outlet temperature of 90 ° C. to 110 ° C .;
분사 속도가 1 mL/분 내지 100 L/분인, 구현예 7 또는 8에 따른 방법이다.The process according to embodiment 7 or 8, wherein the spray rate is from 1 mL / min to 100 L / min.
구현예 8은, 탄소 나노입자를 함유하는 용액이 탄소 나노입자를 함유하는 수용액을 포함하고/포함하거나;Embodiment 8 includes a solution comprising carbon nanoparticles comprises an aqueous solution containing carbon nanoparticles;
탄소 나노입자를 함유하는 용액 중 탄소 나노입자의 농도는 5 g/L 내지 50 g/L인, 구현예 6에 따른 방법이다.The method according to embodiment 6, wherein the concentration of carbon nanoparticles in the solution containing the carbon nanoparticles is from 5 g / L to 50 g / L.
구현예 10은, 구현예 1 내지 5 중 임의의 것 하나에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 포함하고, 금속 리튬은 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 공극 내부와 표면상에 분포되어 있는, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다.Embodiment 10 includes a carbon nanoparticle-porous skeleton composite material according to any one of
구현예 11은, 금속 리튬이 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 총 질량을 기준으로 1 질량% 내지 95 질량% 존재하는, 구현예 10에 따른 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료이다. Embodiment 11 is the lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material according to embodiment 10, wherein the metal lithium is present from 1% to 95% by mass based on the total mass of the lithium-carbon nanoparticle-porous skeleton composite material. .
구현예 12는, 구현예 1 내지 5 중 임의의 것 하나에 따른 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료와 용융 리튬 금속을 혼합한 다음, 이 혼합물을 냉각시키는 단계를 포함하는, 금속 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법이다.Embodiment 12 includes mixing a carbon nanoparticle-porous framework composite material according to any one of
구현예 13은, 용융 리튬 금속과 탄소 나노입자-탄소 기반 다공성 미소구 복합 재료를 혼합하는 단계는Embodiment 13 further comprises the step of mixing the molten lithium metal and carbon nanoparticle-carbon based porous microsphere composite
리튬 금속과 탄소 기반 다공성 미소구 재료를 교반하면서 혼합한 다음, 가열하는 단계; 또는Mixing the lithium metal and the carbon-based porous microsphere material with stirring, followed by heating; or
탄소 나노입자-다공성 금속 복합 재료를 용융 리튬 금속에 침지하는 단계를 포함하는, 구현예 11에 따른 방법이다. The method according to embodiment 11, comprising immersing the carbon nanoparticle-porous metal composite material in molten lithium metal.
구현예 14는 구현예 13에 따른 방법으로서, 교반하며 혼합하는 단계는 예비 교반 단계 및 급속 교반 단계를 포함하고, 다만 예비 교반 단계는 리튬 금속과 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료의 혼합물을 50 rpm 내지 100 rpm의 속도로 200℃ 내지 230℃에서 1분 내지 5분 동안 교반하는 것을 포함하며, 급속 교반 단계는 150 rpm 내지 1000 rpm의 속도로 230℃ 내지 300℃에서 빠르게 교반하는 것을 포함하는 방법이다.Embodiment 14 is the method according to embodiment 13, wherein the stirring and mixing comprises a preliminary stirring step and a rapid stirring step, provided that the preliminary stirring step is performed at 50 rpm of the mixture of the lithium metal and the carbon nanoparticle-porous skeleton composite material. It includes stirring for 1 minute to 5 minutes at 200 ℃ to 230 ℃ at a rate of to 100 rpm, the rapid stirring step is a method comprising a rapid stirring at 230 ℃ to 300 ℃ at a speed of 150 rpm to 1000 rpm .
구현예 15는, 구현예 10 또는 11에 따른 리튬-탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 포함하는 전극이다.Embodiment 15 is an electrode comprising the lithium-carbon nanoparticle-porous framework composite material according to embodiment 10 or 11.
구현예 16은, 전기화학적 에너지 저장 디바이스가 전기화학적 배터리 또는 슈퍼 커패시터를 포함하는, 구현예 15에 따른 전극을 포함하는 전기화학적 에너지 저장 디바이스이다.Embodiment 16 is an electrochemical energy storage device comprising the electrode according to embodiment 15, wherein the electrochemical energy storage device comprises an electrochemical battery or a super capacitor.
구현예 17은, 전기화학적 배터리가 리튬 배터리, 금속 리튬-산화물 베터리, 금속 리튬-황 2차 배터리, 또는 금속 리튬-공기 배터리를 포함하는, 구현예 16에 따른 전기화학적 에너지 저장 디바이스이다.Embodiment 17 is the electrochemical energy storage device according to embodiment 16, wherein the electrochemical battery comprises a lithium battery, a metal lithium-oxide battery, a metal lithium-sulfur secondary battery, or a metal lithium-air battery.
본 발명의 목적, 기술상의 해결책 및 이점을 더 명확하고 분명하게 만들기 위하여, 본 발명은 도면들과 실시예들을 참조로 이하에 더 상세히 기술될 것이다. 본원에 기술된 특정 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이지, 한정하고자 하는 것은 아님이 이해되어야 할 것이다. 뿐만 아니라, 이하에 기술된 본 발명의 다양한 실시예에 수반되는 기술상의 특징들은, 서로 간에 상충되지 않는 한, 서로 조합될 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS To make the objects, technical solutions and advantages of the present invention clearer and clearer, the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings and embodiments. It is to be understood that the specific embodiments described herein are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting. In addition, the technical features accompanying the various embodiments of the present invention described below may be combined with each other as long as they do not conflict with each other.
게다가, 이하 실시예들에 사용 및 적용된 물품의 다양한 구조 매개변수, 다양한 반응물 및 공정 조건들은 전형적인 예들이다. 그러나, 본 발명자들은 다수의 실험을 통하여 상기 나열된 것들과는 상이한 기타 구조 매개변수, 반응물의 기타 유형 및 기타 공정 조건도 또한 적용될 수 있으며, 본 발명에 진술된 바와 같은 기술상의 효과를 달성할 수 있음을 확인하였다.In addition, various structural parameters, various reactants and process conditions of the articles used and applied in the examples below are typical examples. However, the inventors can also apply, through a number of experiments, other structural parameters different from those listed above, other types of reactants, and other process conditions, and achieve the technical effects as stated in the present invention. It was confirmed.
실시예Example 1 One
외경이 20 nm 내지 30 nm인 다중벽 탄소 나노튜브(CHENGDU ORGANIC CHEMICALS CO. LTD. CHINESE ACADEMY OF SCIENCES) 2 g과, 아세틸렌 블랙(Alfa Aesar) 2 g을, 탈이온수 200 mL에 첨가한 다음, 무수 에탄올 20 mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 밀봉하고 나서, 교반한 다음, 130 W 초음파 프로브(ultrasonic probe)로 5 시간 동안 음파처리하여, 샘플을 균일하게 분산시켰다. 그 다음, 샘플을 분사 건조기에 도입하였다. 공기 유입구 온도는 200℃로 설정하였고, 공기 유출구 온도는 150℃로 설정하였으며, 분사 압력은 40 MPa로 설정하였고, 샘플 크기는 500 mL/h로 설정하였다. 건조 후 아세틸렌 블랙-탄소 나노튜브 미소구 복합 재료를 수득하였다. 복합 재료를 대상으로 질소 흡착-탈착 시험을 수행하였으며, 그 결과는, 미소구의 비표면적이 103 m2/g이고, 평균 공극 크기는 15.2 nm임을 보여주었다.2 g of CHENGDU ORGANIC CHEMICALS CO. LTD.CHINESE ACADEMY OF SCIENCES with an outer diameter of 20 nm to 30 nm and 2 g of acetylene black (Alfa Aesar) were added to 200 mL of deionized water, 20 mL of ethanol was added. The mixture was sealed, stirred and sonicated with a 130 W ultrasonic probe for 5 hours to uniformly disperse the sample. The sample was then introduced to a spray drier. The air inlet temperature was set to 200 ° C., the air outlet temperature was set to 150 ° C., the injection pressure was set to 40 MPa, and the sample size was set to 500 mL / h. After drying, acetylene black-carbon nanotube microsphere composites were obtained. Nitrogen adsorption-desorption tests were performed on the composite material, and the results showed that the specific surface area of the microspheres was 103 m 2 / g and the average pore size was 15.2 nm.
배터리 등급의 금속 리튬 100 mg과, 상기 아세틸렌 블랙-탄소 나노튜브 미소구 복합 재료 100 mg을 계량하여, 금속 리튬에 비활성인 가열기에 넣은 다음, 200℃로 가열하고, 50 rpm에서 2분 동안 예비 교반한 후, 230℃에서 200 rpm으로 20분 동안 교반하였으며, 혼합을 마친 후 실온으로 냉각시켰다. 전체 과정을 아르곤 보호가 이루어지는 글러브박스 안에서 수행하였는데, 이 글러브박스의 수분 함량은 10 ppm 이하였고, 산소 함량은 10 ppm 이하였다. 리튬-탄소 복합 재료가 수득되었다. 계량 시험(weighing test)의 결과는, 리튬-탄소 복합 미세입자 중 리튬의 질량 백분율이 67.3%였음을 보여주었다.100 mg of battery-grade metal lithium and 100 mg of the acetylene black-carbon nanotube microsphere composite were weighed, placed in a heater inert to metal lithium, heated to 200 ° C., and preliminarily stirred at 50 rpm for 2 minutes. After stirring, the mixture was stirred at 230 ° C. at 200 rpm for 20 minutes, and the mixture was cooled to room temperature. The whole process was carried out in a glovebox with argon protection, the glovebox having a water content of less than 10 ppm and an oxygen content of less than 10 ppm. A lithium-carbon composite material was obtained. The results of the weighing test showed that the mass percentage of lithium in the lithium-carbon composite microparticles was 67.3%.
도 1은, 실시예 1에서 수득된, 아세틸 블랙-탄소 나노튜브 미소구 복합 재료(a, b) 및 리튬-탄소 복합 미세입자(c, d)의 주사전자현미경(SEM) 영상들을 보여주는 것이다.1 shows scanning electron microscope (SEM) images of acetyl black-carbon nanotube microsphere composites (a, b) and lithium-carbon composite microparticles (c, d) obtained in Example 1. FIG.
도 2는, 도 1의 SEM 영상(b)의 확대도이다(배율: 20,000배). 원 안의 미립자들은 탄소 나노입자(즉 아세틸렌-블랙 나노입자)이다.FIG. 2 is an enlarged view of the SEM image b of FIG. 1 (magnification: 20,000 times). The microparticles in the circle are carbon nanoparticles (ie acetylene-black nanoparticles).
상기에서 수득한 리튬-탄소 복합 재료와 리튬 시트를 각각 사용하여 하프셀[다만 상기에서 수득한 리튬-탄소 복합 미세입자 20 mg 내지 40 mg을, 직경이 1.5 cm이고 두께가 1 mm인 구리 발포체 위에 압축하였고, 이 재료는 음 전극으로 사용하였으며; 두께 400 μm이고, 직경 1.5 cm인 리튬 시트는 양 전극으로 사용하였고; Celgard 분리막(막)은 상기 양 전극 및 음 전극과 합하여져 2025형의 코인 배터리를 이룸]을 제조하였고, 0.5 mA·cm-2의 전류 밀도와 0.5 mAh·cm-2의 용량 조건 하에서 하프셀 사이클 특성 시험을 수행하였다. 도 3은, 하프셀 사이클 특성 시험의 결과들을 보여주는 것으로서, 좌측 도표는 리튬-탄소 복합 미세입자를 사용하였을 때 수득된 사이클 곡선이고, 우측 도표는 리튬 시트의 사이클 곡선이다. 도면으로부터 보이는 바에 의하면, 리튬-탄소 복합 미세입자는 처음에 리튬 금속 시트에 비하여 매우 낮은 분극 전압을 보였는데, 이 점은 재료의 비표면적이 크다는 것을 나타내고, 또한 분극 전압은 사이클의 후반부에서 유의미하게 바뀌지 않았는데, 이 점은 재료 구조와 표면 고체 전해질 계면(SEI) 층이 안정적임을 나타낸다.Using a lithium-carbon composite material and a lithium sheet obtained as described above, a half cell [except 20 mg to 40 mg of the lithium-carbon composite microparticles obtained above, on a copper foam having a diameter of 1.5 cm and a thickness of 1 mm). Compressed, this material was used as negative electrode; A
도 4는, 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건 하에서의 200회차 사이클 후, 리튬-탄소 복합 미세입자로 이루어진 하프셀과, 리튬 시트로 이루어진 하프셀 각각의 전극 모폴로지를 보여주는 것이다(a 및 b는 리튬-탄소 복합 미세입자의 영상들을 보여주는 것이고, c 및 d는 리튬 시트의 영상들을 보여주는 것임). 사이클 종료후 리튬 시트의 경우 덴드라이트가 샘플 표면 전체에 분포되었는데, 이는 잠재적으로 배터리에 큰 위험을 초래할 것이다. 이와는 대조적으로 사이클 종료후 리튬-탄소 마이크로 규모의 복합 재료 샘플은 미립자 구조로 남았는데, 이는 사이클 중 본 재료 구조의 안정성을 다시한번 입증하는 것이다.Fig. 4 shows the electrode morphology of each of the half cells made of lithium-carbon composite microparticles and the half cells made of lithium sheets after 200 cycles under conditions of a current density of 0.5 mA cm −2 and a capacity of 0.5 mAh cm −2 . (A and b show images of the lithium-carbon composite microparticles, c and d show images of the lithium sheet). After the end of the cycle, for lithium sheets, dendrites were distributed throughout the sample surface, which would potentially pose a significant risk to the battery. In contrast, after the end of the cycle, the lithium-carbon micro-scale composite material sample remained in the particulate structure, which again demonstrates the stability of the present material structure during the cycle.
도 5는, 정전류 충전-방전 시험 중 상이한 사이클에서의 리튬-탄소 복합 미세입자/리튬 하프셀의 전압-용량 곡선을 보여주는 것이다(이때의 전류 밀도는 0.74 mA/cm-2임). C-율 1로 500회차 사이클이 진행된 후 리튬-탄소 복합 미세입자의 용량은 거의 변하지 않았는데, 이 점은 재료의 표면 SEI 층이 사이클 중 비교적 안정적이어서, 금속 리튬을 계속해서 소모하지는 않았을 것임을 나타낸다. FIG. 5 shows the voltage-capacity curves of lithium-carbon composite microparticles / lithium half cells at different cycles during the constant current charge-discharge test (current density at 0.74 mA / cm −2 ). After 500 cycles with C-
상이한 사이클에서의 용량 보유율을, 리튬-탄소 복합 미세입자와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀과, 리튬 시트와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀 각각으로 C-율 1에서 측정하였다[다만 리튬-탄소 복합 미세입자 20 mg 내지 40 mg을 구리 발포체상에 압축하여 수득된 재료로서, 직경이 1.5 cm이고, 두께가 1 mm인 재료를 음 전극으로 사용하였고, 리튬 철 인산염(LFP) 전극 시트(Suzhou 소재 Sinlion Battery Tech Co., Ltd. 제조, 표면 밀도 0.7 mAh/cm2)를 양 전극으로 사용하여, 2025형 코인 배터리를 제조함][이 경우 양 전극과 음 전극의 용량은 각각 1.4 mAh 및 40mAh이었음]. 도 6은, 시험 결과들을 보여주는 것이다. 도 6에 보인 바와 같이, 리튬-탄소 복합 미세입자와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀의, 600회차 사이클 종료후 C-율 1일 때의 방전 용량 보유율은 92.8%였던 반면에, 음 전극으로서 리튬 시트를 가지는 풀셀의 용량은 계속해서 감소하였고, 150회차 사이클 종료후에는 용량이 거의 "0"에 가까웠다.Capacity retention rates at different cycles were measured at C-
실시예 2Example 2
아세틸렌 블랙을 사용하지 않았다는 점을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 탄소 나노튜브 미소구 재료를 제조하였다. 이 미소구 재료의 비 표면적은 151 m2/g이었고, 평균 공극 크기는 18.7 nm였다. 도 7은, 탄소 나노입자를 사용하지 않고 제조된 미소구 재료(좌측 영상)와 탄소 나노입자를 사용하여 제조된 미소구 재료(우측 영상)의 비교 도면을 보여준다. 이 도면으로부터 보이는 바에 따르면, 탄소 나노입자가 첨가된 후 미소구 재료의 모폴로지와 구조는 유의미하게 변하지 않았다.A carbon nanotube microsphere material was prepared in the same manner as in Example 1 except that acetylene black was not used. The specific surface area of this microsphere material was 151 m 2 / g and the average pore size was 18.7 nm. FIG. 7 shows a comparison of microsphere materials prepared without using carbon nanoparticles (left image) and microsphere materials prepared using carbon nanoparticles (right image). As can be seen from this figure, the morphology and structure of the microsphere material did not change significantly after the carbon nanoparticles were added.
리튬-탄소 복합 미세입자 중 리튬의 질량 백분율은 40.4%였다는 점을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 상기 탄소 나노튜브 미소구 재료를 사용하여 리튬-탄소 복합 미세입자를 제조하였다.Lithium-carbon composite microparticles were prepared using the carbon nanotube microsphere material in the same manner as in Example 1 except that the mass percentage of lithium in the lithium-carbon composite microparticles was 40.4%.
전류 밀도 0.5 mA·cm-2이고, 용량 0.5 mAh·cm-2인 조건 하에서, 상기 수득한 리튬-탄소 복합 미세입자로 이루어진 하프셀과, 리튬 시트로 이루어진 하프셀 각각을 대상으로 하프셀 사이클 특성 시험을 수행하였다. 도 8은, 하프셀 사이클 특성 시험의 결과들을 보여준다. 도 8에 보인 바와 같이, 리튬-탄소 복합 미세입자로 제조된 하프셀의 경우 샘플의 분극 전압은 사이클 수가 증가함에 따라서 계속해서 증가하였는데, 이 점은 금속 리튬과 전해질의 연속 반응으로 말미암아 샘플의 표면 SEI층이 점점 두꺼워졌음을 나타내는 것이다.Under the conditions of a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm −2 , the half-cell cycle characteristics of each of the obtained half-cells made of the lithium-carbon composite microparticles and the half-cells made of the lithium sheet The test was performed. 8 shows the results of the half cell cycle characteristic test. As shown in FIG. 8, in the case of a half cell made of lithium-carbon composite microparticles, the polarization voltage of the sample continued to increase as the number of cycles increased, which is due to the continuous reaction of the lithium metal with the electrolyte. This indicates that the SEI layer is getting thicker.
실시예 3Example 3
탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료와 리튬-탄소 복합 미세입자를, 실시예 1에서 사용하였던 아세틸렌 블랙 대신에 Ketjen 블랙(ECP 600JD)을 사용하였다는 점을 제외하고 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 제조하였다. 리튬-탄소 복합 미세입자 중 리튬의 질량 백분율은 60.0%였다. 생성된 재료의 모폴로지 및 특성 시험 결과들은 실시예 1의 결과들과 유사하였다.The carbon nanoparticle-porous skeleton composite material and the lithium-carbon composite microparticles were prepared in the same manner as in Example 1 except that Ketjen black (ECP 600JD) was used instead of the acetylene black used in Example 1. Prepared. The mass percentage of lithium in the lithium-carbon composite microparticles was 60.0%. The morphology and property test results of the resulting material were similar to those of Example 1.
실시예 4Example 4
탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료와 리튬-탄소 복합 미세입자를, 실시예 1에서 사용하였던 아세틸렌 블랙 대신에 Degussa 카본 블랙(Printex XE-2)을 사용하였다는 점을 제외하고 실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 제조하였다. 리튬-탄소 복합 미세입자 중 리튬의 질량 백분율은 51.8%이었다. 생성된 재료의 모폴로지 및 특성 시험 결과들은 실시예 1의 결과들과 유사하였다.The carbon nanoparticle-porous skeletal composite material and the lithium-carbon composite microparticles were subjected to the method of Example 1 except that Degussa carbon black (Printex XE-2) was used instead of the acetylene black used in Example 1. Prepared in the same manner. The mass percentage of lithium in the lithium-carbon composite microparticles was 51.8%. The morphology and property test results of the resulting material were similar to those of Example 1.
실시예 5Example 5
탄소 나노섬유(Alfa Aesar) 2 g과 아세틸렌 블랙(Alfa Aesar) 2 g을 탈이온수 200 mL에 첨가한 다음, 무수 에탄올 20 mL를 첨가하였다. 이 혼합물을 밀봉하고 나서, 교반한 다음, 130 W 초음파 프로브로 5 시간 동안 음파처리하여, 샘플을 균일하게 분산시켰다. 그 다음, 샘플을 분사 건조기에 도입하였다. 공기 유입구 온도는 200℃로 설정하였고, 공기 유출구 온도는 150℃로 설정하였으며, 분사 압력은 40 MPa로 설정하였고, 샘플 크기는 500 mL/h로 설정하였다. 건조 후 실시예 1의 아세틸렌 블랙-탄소 나노튜브 미소구 복합 재료의 모폴로지와 유사한 모폴로지를 가지는 아세틸렌 블랙-탄소 나노섬유 미소구 복합 재료를 수득하였다. 복합 재료를 대상으로 질소 흡착-탈착 시험을 수행하였으며, 그 결과는, 미소구의 비표면적이 98 m2/g이고, 평균 공극 크기는 13.1 nm임을 보여주었다.2 g of carbon nanofibers (Alfa Aesar) and 2 g of acetylene black (Alfa Aesar) were added to 200 mL of deionized water, followed by 20 mL of anhydrous ethanol. The mixture was sealed, stirred and sonicated with a 130 W ultrasonic probe for 5 hours to uniformly disperse the sample. The sample was then introduced to a spray drier. The air inlet temperature was set to 200 ° C., the air outlet temperature was set to 150 ° C., the injection pressure was set to 40 MPa, and the sample size was set to 500 mL / h. After drying, an acetylene black-carbon nanofiber microsphere composite material having a morphology similar to the morphology of the acetylene black-carbon nanotube microsphere composite material of Example 1 was obtained. Nitrogen adsorption-desorption tests were performed on the composite material, and the results showed that the specific surface area of the microspheres was 98 m 2 / g and the average pore size was 13.1 nm.
배터리 등급의 금속 리튬 100 mg과, 상기 아세틸렌 블랙-탄소 나노섬유 미소구 복합 재료 100 mg을 계량하여, 금속 리튬에 비활성인 가열기에 넣은 다음, 200℃로 가열하고, 50 rpm에서 2분 동안 예비 교반한 후, 230℃에서 200 rpm으로 20분 동안 교반하였으며, 혼합을 마친 후 실온으로 냉각시켰다. 전체 과정을 아르곤 보호가 이루어지는 글러브박스 안에서 수행하였는데, 이 글러브박스의 수분 함량은 10 ppm 이하였고, 산소 함량은 10 ppm 이하였다. 리튬-탄소 복합 미세입자가 수득되었다. 계량 시험의 결과는, 리튬-탄소 복합 미세입자 중 리튬의 질량 백분율이 36.3%였음을 보여주었다. 도 9는, 리튬-탄소 섬유 미소구 복합 재료의 SEM 영상[좌측 영상의 배율은 1000배이고, 우측 영상의 배율은 25000배임]을 보여준다.100 mg of battery-grade metal lithium and 100 mg of the acetylene black-carbon nanofiber microsphere composite were weighed, placed in a heater inert to metal lithium, heated to 200 ° C., and preliminarily stirred at 50 rpm for 2 minutes. After stirring, the mixture was stirred at 230 ° C. at 200 rpm for 20 minutes, and the mixture was cooled to room temperature. The whole process was carried out in a glovebox with argon protection, the glovebox having a water content of less than 10 ppm and an oxygen content of less than 10 ppm. Lithium-carbon composite microparticles were obtained. The results of the metering test showed that the mass percentage of lithium in the lithium-carbon composite microparticles was 36.3%. 9 shows an SEM image of a lithium-carbon fiber microsphere composite material (magnification of the left image is 1000 times and magnification of the right image is 25000 times).
도 10은, 음 전극 리튬-탄소 섬유 미소구 복합 재료로 말미암는 정전류 충전-방전 곡선을 보여준다. 이 도면에서 보이는 바에 따르면, 리튬-탄소 섬유 미소구 복합 재료의 분극 전압은 처음에 매우 낮았는데, 이 점은 재료의 비표면적이 커서, 전류 밀도가 상당히 감소하고, 리튬 덴드라이트 생성이 효과적으로 억제될 수 있었음을 나타낸다. 덴드라이트에 의해 유발되는 잠재적 단락 발생 위험은 방지될 수 있었으므로, 재료는 실질적으로 고 에너지 밀도 배터리 시스템에 더 많이 사용될 수 있었다.10 shows a constant current charge-discharge curve from negative electrode lithium-carbon fiber microsphere composites. As can be seen from this figure, the polarization voltage of the lithium-carbon fiber microsphere composite was initially very low, which means that the specific surface area of the material is large, the current density is considerably reduced, and lithium dendrite formation can be effectively suppressed. Indicates that it could. Since the risk of potential short circuits caused by dendrites could be avoided, the material could be used substantially in high energy density battery systems.
실시예 6Example 6
(공극 크기 분포가 100 μm 내지 500 μm이고, 직경이 1.5 cm, 그리고 두께가 500 μm 내지 1000 μm인) 다공성 니켈 금속 골격 재료 2g을, 아세틸렌 블랙(Alfa Aesar)을 농도 20 g/L으로 함유하는 수용액 100 mL에 넣은 다음, 이 용액을 대상으로 1 시간 동안 음파 분산 처리하였다. 이로부터 생성된 혼합물을 방치하여 둔 다음, 80℃의 오븐에서 24시간 동안 건조하여, 탄소 나노입자를 함유하는 다공성 니켈 금속 골격 재료를 수득하였다. 탄소 나노입자를 함유하는 다공성 니켈 금속 골격 재료를, 용융 리튬 금속에 침지하여, 금속 리튬-니켈 골격 재료를 수득하였다. 계량 시험 결과는, 금속 리튬-니켈 골격 재료 중 리튬의 질량 백분율이 50.0%[(금속 리튬-니켈 골격 재료의 질량 - 니켈 금속 골격의 질량) / 금속 리튬-켈 골격 재료의 질량]였음을 보여주었다.2 g of porous nickel metal skeleton material (pore size distribution of 100 μm to 500 μm, 1.5 cm in diameter, and 500 μm to 1000 μm in thickness) containing acetylene black (Alfa Aesar) at a concentration of 20 g / L The solution was placed in 100 mL of aqueous solution, and then subjected to sonication for 1 hour. The resulting mixture was left to stand and dried in an oven at 80 ° C. for 24 hours to obtain a porous nickel metal skeleton material containing carbon nanoparticles. The porous nickel metal skeleton material containing carbon nanoparticles was immersed in molten lithium metal to obtain a metal lithium-nickel skeleton material. Metering test results showed that the mass percentage of lithium in the metal lithium-nickel skeleton material was 50.0% [(mass of metal lithium-nickel skeleton material-mass of nickel metal skeleton) / mass of metal lithium-nickel skeleton material]. .
금속 리튬-니켈 골격 탄소 재료로 이루어진 하프셀을 대상으로, 전류 밀도 0.5 mA·cm-2 및 용량 0.5 mAh·cm-2의 조건 하에서의 하프셀 사이클 특성을 시험하였다. 그 결과를 도 11에 보였다. 도 11에서 보이는 바에 의하면, 200회차 사이클 종료후 샘플의 분극 전압은 거의 변하지 않았는데, 다만 표면 SEI 층 두께의 점진적 증가로 말미암아 약간의 증가만이 있었을 뿐이었다. 뿐만 아니라, 풀셀 시험 조건 하에서의 쿨롱 효율 및 용량의 안정성은, 재료 구조 및 표면 SEI 층의 안정성을 추가로 나타내었다. 금속 리튬-니켈 골격 탄소 재료와 리튬 철 인산염으로 이루어진 풀셀을, 상이한 사이클에서 C-율 1일 때의 용량 보유율에 대해 시험하였다. 그 결과들을 도 12에 보였다.Half-cell cycle characteristics under conditions of a current density of 0.5 mA · cm −2 and a capacity of 0.5 mAh · cm −2 were tested for a half cell made of a metallic lithium-nickel skeleton carbon material. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 11, the polarization voltage of the sample hardly changed after the end of the 200th cycle, but only a slight increase due to the gradual increase of the surface SEI layer thickness. In addition, the coulombic efficiency and stability of the capacity under full cell test conditions further indicated the stability of the material structure and surface SEI layer. Full cells consisting of metal lithium-nickel backbone carbon materials and lithium iron phosphate were tested for capacity retention at C-
상기 발명의 설명은 본 발명의 몇몇 바람직한 구현예들일 뿐이고, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아님이 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 사상과 원리 안에서 이루어진 임의의 변화, 그 안에 있는 균등물 및 변형예는 본 발명의 보호 범위 안에 포함되어야 할 것이다.It is to be understood that the above description is only some preferred embodiments of the present invention and is not intended to limit the present invention. Any change made in the spirit and principle of the present invention, equivalents and modifications therein should be included within the protection scope of the present invention.
Claims (18)
상기 다공성 금속 재료는 다공성 구리, 다공성 알루미늄, 다공성 아연, 다공성 철, 다공성 니켈, 다공성 금 및 다공성 은으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함하며/포함하거나;
상기 탄소 나노입자는 카본블랙, 아세틸렌 블랙, Ketjen 블랙, Timcal 전도성 첨가제 Super P, 그리고 Cabot BP2000으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것 적어도 1개를 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료.The method of claim 1, wherein the carbon-based porous microsphere material comprises at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere materials, graphite, mesocarbon microspheres, and porous activated carbon. Carbon nanotubes or carbon nanofiber microsphere materials are prepared by intertwining and agglomerating carbon nanotubes or carbon nanofibers, wherein the microspheres are filled with carbon nanotubes or carbon nanofibers within themselves, Multiple nano scale pores exist and / or on the inside and surface;
The porous metal material comprises at least one selected from the group consisting of porous copper, porous aluminum, porous zinc, porous iron, porous nickel, porous gold and porous silver;
And wherein the carbon nanoparticles comprise at least one selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, Ketjen black, Timcal conductive additive Super P, and Cabot BP2000.
상기 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료 안에 함유된 공극들의 공극 크기는 1 nm 내지 200 nm이며/이거나;
상기 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노섬유 미소구 재료는 적어도 미소구형 실체의 응집 구조, 구형 응집 구조, 회전타원형 응집 구조, 다공성 구형 응집 구조 및 도넛형 응집 구조로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 가지고/가지거나;
상기 탄소 나노튜브는 다중벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브 및 단일벽 탄소 나노튜브, 또는 이것들 중 2개 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 포함하고, 선택적으로 탄소 나노튜브는 표면 작용기화 처리의 대상이 되는 것을 특징으로 하는, 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료.The method according to any one of claims 2 to 4, wherein the specific surface area of the carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material is from 100 m 2 / g to 1500 m 2 / g;
The pore size of the pores contained in the carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material is 1 nm to 200 nm;
The carbon nanotube or carbon nanofiber microsphere material has at least one selected from the group consisting of at least a coherent structure of a spherical entity, a spherical cohesion structure, a spheroidal cohesion structure, a porous spherical cohesion structure and a donut-like cohesion structure / Have;
The carbon nanotubes comprise any one selected from the group consisting of multiwall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes and single wall carbon nanotubes, or a combination of two or more thereof, optionally wherein the carbon nanotubes may have a surface action. A carbon nanoparticle-porous skeleton composite material, which is subject to vaporization treatment.
마이크로 규모의 다공성 흑연, 메소탄소 미소구, 다공성 활성탄 또는 다공성 금속 재료를, 탄소 나노입자를 함유하는 용액에 침지한 후, 음파 처리를 한 다음, 결과물을 건조하는 단계
를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 탄소 나노입자-다공성 골격 복합 재료를 제조하기 위한 방법.Dispersing the carbon nanotubes or carbon nanofibers together with the carbon nanoparticles in a solvent to prepare a dispersion, and then spray drying the dispersion; or
Immersing microscale porous graphite, mesocarbon microspheres, porous activated carbon, or porous metal material in a solution containing carbon nanoparticles, followed by sonication, and then drying the resultant.
A method for producing a carbon nanoparticle-porous skeletal composite material according to any one of claims 1 to 5, comprising a.
a. 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유와 탄소 나노입자를 음파 처리를 통하여 분산 용매(계면활성제 불포함)에 분산시켜 분산액을 수득하는 단계;
b. 단계 a에서 수득된 분산액을, 공기 유입구 온도와 공기 유출구 온도를 미리 설정한 분사 건조기의 노즐을 통하여 밖으로 분사시키는 단계[다만 분산액은 분사가 이루어지는 동안 계속 교반됨]; 그리고
c. 결과물을 냉각시켜 탄소 나노입자-탄소 나노튜브/탄소 나노섬유 미소구 복합 재료를 수득하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.7. The method of claim 6, wherein the spray drying the carbon nanotubes or carbon nanofibers with the carbon nanoparticles comprises the following steps:
a. Dispersing the carbon nanotubes / carbon nanofibers and carbon nanoparticles in a dispersion solvent (without surfactant) through sonication to obtain a dispersion;
b. Spraying the dispersion obtained in step a through the nozzle of a spray dryer which has a predetermined air inlet temperature and an air outlet temperature, provided that the dispersion is continuously stirred while spraying takes place; And
c. Cooling the result to obtain carbon nanoparticle-carbon nanotube / carbon nanofiber microsphere composites
Method comprising a.
상기 분산액 중 탄소 나노튜브/탄소 나노섬유의 농도는 10 g/L 내지 50 g/L이며/이거나;
분산 용매는 물, 수성 암모니아, 염화수소산 용액, 에탄올, 아세톤 및 이소프로판올 또는 이것들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the mass ratio between carbon nanoparticles and carbon nanotubes / carbon nanofibers in step a is from 0.5: 1 to 8: 1;
The concentration of carbon nanotubes / carbon nanofibers in the dispersion is 10 g / L to 50 g / L;
The dispersion solvent comprises any one selected from the group consisting of water, aqueous ammonia, hydrochloric acid solution, ethanol, acetone and isopropanol or combinations thereof.
분사 속도는 1 mL/분 내지 100 L/분인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 7 or 8, wherein the air inlet temperature is 190 ° C to 210 ° C, and the air outlet temperature is 90 ° C to 110 ° C;
Spray rate is 1 mL / min to 100 L / min.
상기 탄소 나노입자를 함유하는 용액 중 탄소 나노입자의 농도는 5 g/L 내지 50 g/L인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 6, wherein the solution containing carbon nanoparticles comprises an aqueous solution containing carbon nanoparticles;
The concentration of carbon nanoparticles in the solution containing the carbon nanoparticles is characterized in that from 5 g / L to 50 g / L.
리튬 금속과 탄소 기반 다공성 미소구 재료를 교반하면서 혼합한 다음, 가열하는 단계; 또는
탄소 나노입자-다공성 금속 복합 재료를 용융 리튬 금속에 침지하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 13, wherein the mixing of the molten lithium metal and the carbon nanoparticle-carbon based porous microsphere composite material
Mixing the lithium metal and the carbon-based porous microsphere material with stirring, followed by heating; or
Immersion of Carbon Nanoparticle-Porous Metal Composites in Molten Lithium Metal
Method comprising a.
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